频响(全称为:灵敏度频率响应)是加速度传感器的一项重要指标,其定义是:频响 = 特定频率点的灵敏度/参考频率点(一般是100Hz)的灵敏度*100%。其代表加速度传感器灵敏度对振动频率的变化,这个变化越小,代表传感器性能越好。频响是加速度传感器出厂前必须测试的重要项目,然而,低频测试由于现有技术局限,测试不准,耗时长,设备占用空间大,一直是行业痛点。
传统的测试方法是采用长行程的线性往复运动装置(如下图),将传感器安装在装置侧面一端,频率设定后,通过调节加速度值使设备不超过行程的情况下,读取传感器输出电压值,计算灵敏度。
其算法基于振动位移公式y=x*Sin2πft,解释如下:
y:振子位移
x: 振动设备最大行程
f:振动频率
t: 时间
对上述公式求二阶导数得到加速度对时间的表达式为:
a=4π^2*f^2*x*Sin2πft
假设需要测试的频率是0.1Hz,设备行程为0.1m,则最大加速度为0.04m/s^2,这是个很小的振动幅值,在此振动烈度下,传感器的信号输出很小,基本被噪声淹没,导致测试误差很大。
克服噪声影响需要提高振动幅值。假设需要测试的频率仍然是0.1Hz如果把加速度值增加到0.4 m/s^2,则需要测试设备的行程达到1米!这在振动测试领域是很难现实的。
反过来,对于行程只有0.1m的测试设备,要达到0.4 m/s^2振动幅值,那么其测试能力只能到0.3Hz,远远达不到0.1Hz的要求。
这就是现有技术水准。行业真实需求如下:
精确测到0.1Hz以下
振幅足够,不受噪声干扰
设备小巧(行程小)
森瑟科技基于重力加速度恒定的原理,设计精巧旋转机构,提供了加速度传感器低频测试的终极解决方案。旋转加速度法低频测试设备的结构示意如下:
1.减速电机
2.旋转轴
3.传感器
电机1静止时,传感器3安装于旋转轴2的端面。安装时,传感器质量中心与轴心共线,避免旋转时的离心加速度,传感器敏感正方向垂直地面指向上方,定义此时传感器位置为0度位置。此时,传感器承受1g的加速度(即重力加速度)。电机1启动,按图示方向旋转90度,传感器敏感方向水平指向右侧,此时传感器承受加速度为0;电机继续旋转到180度位置时,传感器敏感方向指向地面,此时传感器承受-1g的加速度,即反向重力加速度。以此例推,当电机旋转一周的过程中,传感器的加速度从1gà0à-1gà0à1g,符合正弦曲线。任意时间t的加速度表述为:a=A*Cos2πft
由上述原理可知,A=1g(即1个重力加速度),也就是说,不管频率如何,一个周期内的加速度峰值可达到1g,这就解决了加速度值太小,导致输出信号太小,引起测量误差大的问题。
该设计中,频率由减速电机决定,0.1Hz意味着10秒电机转一周,这是完全可行的,通过减速,甚至低到0.01Hz。
旋转重力法解决了低频测试中2个相互矛盾的需求,使得低频和加速度振幅可以兼得,其优点可以概括为:
高精度,一个旋转周期内的加速度峰值始终在1g,输出信号强,不受噪声干扰。
频率低,可测低于0.1Hz的振动。
测试效率高,成本低。